坡印亭-羅伯遜效應(yīng)是什么意思
坡印亭-羅伯遜效應(yīng),太陽系的吸塵器,能把太陽系空間微小的顆粒或塵埃清理干凈。如果沒有這個效應(yīng),太陽周圍會布滿塵埃,會是灰蒙蒙的太陽。航天器也會無法安全航行,很快會碰撞的體無完膚。此效應(yīng)的強(qiáng)度與塵埃環(huán)繞太陽的線速度成正比,與太陽輻射強(qiáng)度成正比。
由于微?;蝾w粒的質(zhì)量與物體半徑的立方(體積)成反比,而物體接收到的太陽輻射功率則與其半徑的平方(表面積)成正比。這意味著,物質(zhì)顆粒越大,單位質(zhì)量對應(yīng)的面積就越小,單位質(zhì)量接收的太陽輻射強(qiáng)度就越弱??傮w上看,顆粒越大,單位質(zhì)量得到的太陽輻射就越小。大致是單位質(zhì)量得到的太陽輻射與天體顆粒的物質(zhì)質(zhì)量成反比。因此坡印亭-羅伯遜效應(yīng)對小顆粒物體,有著更顯著的影響。
由于太陽的萬有引力與距離的平方成反比,而環(huán)繞太陽的天體的離心力與距離成反比。由于二者的變化力度并不一致,這需要通過改變其它因素來提高離心力而平衡萬有引力了。由于離心力與天體運(yùn)動速度的平方成反比,天體改變速度可以明顯改變離心力。實(shí)際上,天體就是通過改變環(huán)繞速度而平衡萬有引力的。也就是,距離太陽越近,天體環(huán)繞中心天體的運(yùn)動速度就越快。因此,顆粒距離太陽越近,環(huán)繞太陽的線速度就越大,坡印亭-羅伯遜效應(yīng)就越強(qiáng)。并且,由于距離太陽越近,太陽輻射就與越強(qiáng)。太陽輻射的強(qiáng)度與距離的平方成反比,因此,太陽輻射增強(qiáng)效應(yīng)是非常明顯的。而坡印亭-羅伯遜效應(yīng)與太陽輻射強(qiáng)度成正比,因此,坡印亭-羅伯遜效應(yīng)與距離太陽的距離非常明顯。
由于距離因素對環(huán)繞速度的影響是0.5次方成反比,太陽輻射強(qiáng)度與距離的平方成反比。綜合距離因素對環(huán)繞速度的影響以及對太陽輻射的影響,我們可以得到,坡印亭-羅伯遜效應(yīng)的強(qiáng)度與距離的2.5次方成反比這樣的結(jié)論。因此,距離太陽越近,微粒或顆粒受到的坡印亭-羅伯遜效應(yīng)就會快速增強(qiáng),以至于達(dá)到很大的數(shù)值。這應(yīng)該是水星軌道之內(nèi)的廣闊空間沒有環(huán)繞太陽的天體的核心原因了。也是太陽的洛希極限區(qū)域內(nèi),沒有形成類似土星的光環(huán)的核心原因。畢竟太陽附近的坡印亭-羅伯遜效應(yīng)太強(qiáng)了,這些顆粒或天體無法長期存在。也許,在太陽的漫長歷史中,也許短暫的擁有過自己的光環(huán)。估計在太陽系形成的初期,太陽附近應(yīng)該會有光環(huán)環(huán)繞的。一旦太陽發(fā)光發(fā)熱,這些光環(huán)上的天體顆粒會迅速減少,最終消失的干干凈凈。
坡印亭-羅伯遜效應(yīng)可以讓環(huán)繞天體降低環(huán)繞速度,這個降速效應(yīng)也會影響天體的離心率。天體在近日點(diǎn)速度最大,坡印亭-羅伯遜效應(yīng)帶來的降速效應(yīng)最強(qiáng),對天體近日點(diǎn)的線速度影響最大。會導(dǎo)致天體環(huán)繞速度下降明顯,無法再回到之前的遠(yuǎn)日點(diǎn)位置了。天體的環(huán)繞軌道向太陽方向拉近了。坡印亭-羅伯遜效應(yīng)在減少環(huán)繞速度的同時,還會影響軌道的離心率,讓軌道離心率減少。這來源于近日點(diǎn)坡印亭-羅伯遜效應(yīng)較強(qiáng)的道理。
光輻射為何會產(chǎn)生坡印亭-羅伯遜效應(yīng)呢?坡印亭給予了經(jīng)典的解釋,把光子理解成具有一定質(zhì)量的粒子。這些具有一定質(zhì)量的光子,打在物質(zhì)微粒上,且光子方向與物質(zhì)微粒運(yùn)動方向垂直,光子鑲嵌在物質(zhì)微粒中,物質(zhì)微粒獲得光子質(zhì)量,自己本身質(zhì)量增加,動量守恒,環(huán)繞速度必然下降。這基本就是坡印亭對坡印亭效應(yīng)的經(jīng)典解釋。
羅伯遜加入了相對論效應(yīng),結(jié)果基本一樣,擁有著類似的解釋。光子打在物質(zhì)微粒上,會產(chǎn)生散射效應(yīng),一個光子,可以變成多個頻率低一些的光子。這就是光輻射的康普頓效應(yīng)。
光子的散射效應(yīng)也遵守動量守恒原理,散射后的光子,具有與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向一致的光子,也具有相反方向的光子。與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向一致或相反方向的光子,會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向一致的光子的的多普勒效應(yīng)是光子動量增大,與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向相反方向的光子的多普勒效應(yīng)是光子動量減少。結(jié)果是,二者動量不相等了。與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向一致的光子的動量大,與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向不一致的光子的動量小。這種動量的差異,是依靠物質(zhì)微粒環(huán)繞動量的減少實(shí)現(xiàn)的。也就是光輻射導(dǎo)致物質(zhì)微粒環(huán)繞動量減少,即物質(zhì)微粒環(huán)繞速度下降。環(huán)繞速度下降,自然是難以抗御太陽的萬有引力了。這會導(dǎo)致物質(zhì)微粒向太陽方向下墜,環(huán)繞軌道縮小。這就是坡印亭-羅伯遜效應(yīng)。
我們不用多普勒效應(yīng)解釋,情況也許更好理解。光子的康普頓效應(yīng)后,與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向一致的光子,會獲得物質(zhì)微粒的動量。畢竟,光子在出發(fā)的過程中,在運(yùn)動方向上,會受到物質(zhì)微粒的推力,且有微小的位移,必然會獲取物質(zhì)微粒的動能。光子頻率增大。與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向相反的光子,等效于推進(jìn)物質(zhì)微粒,自然是這個方向的光子動量下降。這意味著這兩個方向的光子的動量變化不守恒,總體上獲得了與物質(zhì)微粒環(huán)繞方向一致的動量。為了保障動量守恒原理,物質(zhì)微粒環(huán)繞速度必然下降。這就是坡印亭-羅伯遜效應(yīng)的簡便解釋。